(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ルツボ内に原料を充填する工程と、前記石英ルツボ内で前記原料を溶融して融液とする工程と、該融液から単結晶を引き上げる工程とを有する単結晶の製造における、前記石英ルツボ内に原料を充填する工程において、前記原料を収容する石英製の円筒部材と、前記円筒部材の下端の開口部を開閉するための円錐バルブとを有するリチャージ管に前記原料を収容し、前記原料を収容したリチャージ管をチャンバー内にセットし、前記円錐バルブで前記円筒部材の開口部を開けることで前記石英ルツボ内に前記リチャージ管内に収容した原料の投入を連続して２回以上行う原料充填方法であって、
前記連続して２回以上行う原料の投入の内の少なくとも１回の前記原料の投入において、前記円錐バルブの円錐角度が異なる前記リチャージ管を用いて前記原料を充填することを特徴とする原料充填方法。
【請求項２】
前記円錐バルブの円錐角度を、３０−１５０度の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の原料充填方法。
【請求項３】
前記少なくとも１回の原料充填において、前記円錐バルブの円錐角度が１５度以上異なる前記リチャージ管を用いて前記原料を充填することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の原料充填方法。
【請求項４】
前記石英ルツボの口径を、６１０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の原料充填方法。
【請求項５】
石英ルツボ内に原料を充填する工程と、前記石英ルツボ内で前記原料を溶融して融液とする工程と、該融液から単結晶を引き上げる工程とを繰り返し、同一の石英ルツボを用いて複数の単結晶を製造する方法であって、
１本目の前記単結晶の引き上げにおける前記原料を充填する工程、及び／又は、２本目以降のそれぞれの前記単結晶の引き上げにおける前記原料を充填する工程において、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の原料充填方法により前記原料を充填することを特徴とする単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶の製造において、リチャージ管を用いて原料を石英ルツボに充填する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の基板として用いられるシリコン単結晶の製法としては、ＣＺ（チョクラルスキー）法や、磁場を印加するＭＣＺ（磁場印加チョクラルスキー）法が一般的である。これらＣＺ／ＭＣＺ法では、石英ルツボ内にシリコン原料を充填して溶融し、その融液に種結晶を着液した後、引き上げることでシリコン単結晶を育成することができる。ＣＺ／ＭＣＺ法の単結晶製造装置（引き上げ機）では、メインチャンバー内に融液を加熱するヒーターが設置され、その内側に融液を収容する石英ルツボが設置される。
【０００３】
通常、まずこの石英ルツボに原料を詰め、ヒーター加熱によって原料が溶融される。近年のシリコン単結晶の大口径化や結晶長尺化に伴い、石英ルツボ内に初期に詰めた原料分だけでは足らず、さらに原料を追加する場合がある。これを追いチャージと呼び、後に説明するリチャージと同様に、円錐状のコーン（円錐バルブ）を下端に有するリチャージ管に原料を詰め、そのリチャージ管で石英ルツボ内に原料を投入する。そして、これらの原料を全て溶融した後、シリコン単結晶の育成を開始する。
【０００４】
石英ルツボ内には原料が溶解された融液が満たされており、ここからシリコン単結晶が育成される。育成された単結晶は、メインチャンバー上部にゲートバルブを介して連接されている引き上げチャンバー内に収容され、冷却される。その後、この引き上げチャンバーから単結晶を取り出す。
【０００５】
このような製造において、１つの石英ルツボから１本の単結晶を育成するのみであれば、この時点で育成は終了となるが、石英ルツボは割れて再使用ができないことから製造コストが高くなってしまう。そこで１つの石英ルツボから複数の単結晶を育成するマルチ操業が行われる場合がある。その場合、単結晶育成後には石英ルツボ中の融液は育成された結晶分だけ減少しているため、そのままでは次の単結晶を育成できない。従って、この減少分を補うために原料を再度投入するリチャージが行われる。
【０００６】
リチャージの方法としては、ロッドリチャージ法や、特許文献１に開示されたような原料タンクから供給する方法などが古くから提案されてきた。しかし、多くの特許文献に取り上げられている技術は、下端に円錐バルブを有するリチャージ管に原料を収容し、そのリチャージ管に収容された原料を石英ルツボ内に投入する方法である。この技術の基本が開示されているのが、特許文献２、３である。例えば特許文献３では、円錐バルブの円錐角度（頂点の角度）は４０−１００度、より好ましくは６０−９０度と記載されている。
【０００７】
このような方法を用いることで、ゲートバルブで仕切られた引き上げチャンバーからシリコン単結晶を取り出した後、原料を収容したリチャージ管をワイヤーで吊り下げて装着し、真空引きにより引き上げチャンバー内の炉内圧をメインチャンバー内の炉内圧にあわせた後ゲートバルブを開き、原料を投入する。
【０００８】
例えば特許文献４ではワイヤーを保護管で覆うという改善を施したり、特許文献５では破損防止のためにリチャージ管や円錐バルブにワイヤーを封入した改善を施したり、特許文献６では原料落下防止のために円錐バルブに溝を入れる改善を施す等、特許文献２、３の開示技術に多少の改良を加えた技術が開示されている。しかし、基本的な技術は特許文献２、３に示された内容である。
これだけ多くの文献がでていることからわかるように、リチャージ管を用いたリチャージ方法は、広く使われている技術のひとつであるといえる。しかしながら特許文献３以降円錐バルブの角度に検討を加えられているものはない。
【０００９】
上記のように充填される原料は、通常、多結晶もしくは稀に単結晶の場合もあり、それらの結晶を砕いたものが用いられ、リチャージ管に詰められた状態では空隙がある。従って、単結晶を育成した分に相当するような原料を追加するためには、リチャージ管による１回の投入では不足である。このため、複数回の投入を連続して行うことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６２−２６０７９１号公報
【特許文献２】特開平２−１５７１８０号公報
【特許文献３】ＷＯ２００２／０６８７３２
【特許文献４】特開２００６−８９２９４号公報
【特許文献５】特開２００８−１３３７６号公報
【特許文献６】特開２００８−８８０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のように複数回連続して原料を投入する際、従来の方法においては、同じ形のリチャージ管を用いることから円錐バルブの角度が一定であるため、半径方向で見て同じ位置に集中的に原料が投下される。このため、追加投入された原料が石英ルツボ内でドーナツ状に高く積もり、未溶融原料高さの不均一が大きくなる。従って、前に投入した原料がある程度溶けるまで待ってから次の投入を行ったり、うまく全原料を投入できたとしても原料の溶融に時間がかかったりし、何れにしても追加原料の溶融に時間がかかるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、単結晶の製造の際、石英ルツボ内での投入原料の高さの不均一を抑制することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、石英ルツボ内に原料を充填する工程と、前記石英ルツボ内で前記原料を溶融して融液とする工程と、該融液から単結晶を引き上げる工程とを有する単結晶の製造における、前記石英ルツボ内に原料を充填する工程において、前記原料を収容する石英製の円筒部材と、前記円筒部材の下端の開口部を開閉するための円錐バルブとを有するリチャージ管に前記原料を収容し、前記原料を収容したリチャージ管をチャンバー内にセットし、前記円錐バルブで前記円筒部材の開口部を開けることで前記石英ルツボ内に前記リチャージ管内に収容した原料の投入を連続して２回以上行う原料充填方法であって、前記連続して２回以上行う原料の投入の内の少なくとも１回の前記原料の投入において、前記円錐バルブの円錐角度が異なる前記リチャージ管を用いて前記原料を充填することを特徴とする原料充填方法を提供する。
【００１４】
このように、円錐角度が異なる円錐バルブを用いることで、他の原料充填の際の原料の投入位置とは違う位置に原料を投入することができ、連続して原料充填を行っても、石英ルツボ内での投入原料の高さの不均一を抑制することができる。従って、原料充填と溶融を効率的に実施でき、単結晶製造の生産性を向上させることができる。
【００１５】
このとき、前記円錐バルブの円錐角度を、３０−１５０度の範囲とすることが好ましい。
このような円錐角度であれば、リチャージ管の容量を小さくすることなく、原料をスムーズに投入することができ、原料充填をより効率的に実施できる。
【００１６】
このとき、前記少なくとも１回の原料充填において、前記円錐バルブの円錐角度が１５度以上異なる前記リチャージ管を用いて前記原料を充填することが好ましい。
このような１５度以上異なる円錐角度とすることで、石英ルツボ内での原料の投入位置を効果的に変化させることができ、原料の高さの不均一を確実に抑制することができる。
【００１７】
このとき、前記石英ルツボの口径を、６１０ｍｍ以上とすることが好ましい。
このような大口径の石英ルツボでは、本発明による原料の高さの不均一の抑制の必要性が高く、単結晶製造の生産性の向上により効果的に作用する。
【００１８】
また本発明は、石英ルツボ内に原料を充填する工程と、前記石英ルツボ内で前記原料を溶融して融液とする工程と、該融液から単結晶を引き上げる工程とを繰り返し、同一の石英ルツボを用いて複数の単結晶を製造する方法であって、１本目の前記単結晶の引き上げにおける前記原料を充填する工程、及び／又は、２本目以降のそれぞれの前記単結晶の引き上げにおける前記原料を充填する工程において、本発明の原料充填方法により前記原料を充填することを特徴とする単結晶の製造方法を提供する。
【００１９】
このようなマルチプーリングによる単結晶の製造における追いチャージや、リチャージに本発明の原料充填方法を用いることで、原料充填と溶融を効率的に実施でき、単結晶の生産性を向上できる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、石英ルツボへの原料充填と溶融を効率的に実施でき、単結晶製造の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に用いることができる単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明に用いることができるリチャージ管の一例を示す概略図である。
【図３】リチャージ管により石英ルツボ内へ原料を充填する際の概略図である。
【図４】本発明において用いることができる円錐バルブの例を示す概略図である。
【図５】実験において求めた円錐バルブの円錐角度による投入原料の分布を示すグラフと概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の原料充填方法に用いることができるＣＺ法の単結晶製造装置である。
【００２３】
図１の単結晶製造装置２０は、メインチャンバー１と、メインチャンバー１内で融液５を収容する石英ルツボ６及び黒鉛ルツボ７と、石英ルツボ６及び黒鉛ルツボ７の周囲に配置されたヒーター８と、ヒーター８の外側周囲の断熱部材９と、メインチャンバー１の上部にゲートバルブ３を介して接続され、育成した単結晶（単結晶インゴット）４を収納する引き上げチャンバー２と、引き上げ中の単結晶４を囲繞するガス整流筒１２とを備えて構成されている。引き上げチャンバー２には炉内を循環させるガスを導入するガス導入口１１が設けられ、メインチャンバー１の底部には炉内を循環したガスを排出するガス流出口１０が設けられている。また、ヒーター８や融液５からの熱の輻射を遮断するための遮熱部材１３も設けることができる。石英ルツボ６及び黒鉛ルツボ７は結晶成長軸方向に昇降可能であり、結晶成長中に結晶化して減少した融液５の液面下降分を補うように石英ルツボ６及び黒鉛ルツボ７を上昇させる。これにより、融液５の液面の高さはほぼ一定に保たれる。
【００２４】
さらに、製造条件に合わせて、メインチャンバー１の外側に磁場発生装置（図示せず）を設置し、融液５に水平方向あるいは垂直方向の磁場を印加することによって、融液５の対流を抑制し、単結晶４の安定成長を図る、いわゆるＭＣＺ法の装置を用いることもできる。
【００２５】
上記した単結晶製造装置２０による単結晶製造の際には、図２に示すような、原料（多結晶又は単結晶）１４を収容する石英製の円筒部材１５と、該円筒部材１５の下端の開口部を開閉するための円錐バルブ１６とを有するリチャージ管１７に原料１４を収容し、該原料１４を収容したリチャージ管１７を引き上げチャンバー２内にワイヤー１８で吊してセットし、図３に示すように、円錐バルブ１６で円筒部材１５の開口部を開けることでリチャージ管１７内に収容した原料１４を石英ルツボ６内に投入する原料充填を実施する。本発明では、この原料充填を、単結晶引き上げ前に連続して２回以上行う。
【００２６】
そして、本発明では、このように連続して２回以上行う原料充填の内の少なくとも１回の原料充填において、円錐バルブ１６の円錐角度が異なるリチャージ管１７を用いて原料１４を充填する。ここで、本発明において、円錐バルブ１６の円錐角度とは、図４に示すように、円錐バルブ１６の頂点の角度（縦断面の頂角）θを言う。
円錐角度によって、円錐バルブの斜面の傾きが異なるため、当該斜面の傾きが異なれば、他の原料充填の際の原料の投入位置とは違う位置に原料を投入することができる。円錐バルブの円錐角度が大きいと外側へ原料が投下され、また、円錐角度が小さいと中心近くに原料が投下される。これを組み合わせることで、特定の箇所のみ投入原料の高さが高くなることを防止し、投入された原料の高さの平滑化を図ることができる。従って、原料充填毎に時間を空ける必要が無く、また、溶融も効率的に進行する。これにより、単結晶製造の生産性を効果的に向上させることができる。
【００２７】
図４に示すような円錐バルブ１６の円錐角度θとしては、特に限定されないが、３０−１５０度の範囲で設定することが好ましい。
３０度以上であれば、円錐バルブの高さを抑えることができるためリチャージ管の容量が小さくならず効率的であり、また、１５０度以下であれば原料の落下速度が低下しすぎることがなく、原料をルツボ中心より遠くに落下させることができる。さらに、円錐角度θは４０−１２０度の範囲がより好ましい。４０度以上であれば原料の落下速度が速くなりすぎず、１２０度以下であれば原料投入時の円錐バルブが振られず安定する。また、石英ルツボのサイズとリチャージ管のサイズとの関係にも依存するが、このような円錐角度θであれば、投入位置がルツボ中心より遠くになりすぎることがなく、原料が石英ルツボの内壁に強くぶつかることも確実に防止できる。
【００２８】
このように円錐バルブ１６の円錐角度θを変えて原料充填を行う際、図４に示すように円錐バルブ１６の円錐角度θが１５度以上異なるリチャージ管１７を用いることが好ましい。
このように円錐角度θが１５度以上異なる円錐バルブであれば、他の原料充填における原料の投入位置とは確実に異なる位置に原料を投入することができ、石英ルツボ内での投入原料の高さをより均一にすることができる。
【００２９】
例えば、図４に示すように、円錐角度θが３水準の円錐バルブ１６ａ、１６ｂ、１６ｃを用意して、原料充填毎に、用いる円錐バルブを変えて原料充填することができる。または、少なくとも１回の原料充填において円錐角度θが異なる円錐バルブを用いればよいので、例えば、３回連続で原料充填する場合には、１回目は円錐バルブ１６ａ、２回目は円錐バルブ１６ｃ、３回目は円錐バルブ１６ａの順に用いて原料充填することもできる。
【００３０】
このような本発明の原料充填方法は、口径６１０ｍｍ以上の石英ルツボ６に原料１４を充填する際に用いることが好ましい。
このような大口径の石英ルツボは、容量が大きく連続で行う原料充填の回数も増え、さらに直径が大きいため、投入された原料の高さ位置が不均一になりやすい。リチャージ管の太さは遮熱部材等によって制限されるため、基本的に育成される結晶太さと同程度である。一方、石英ルツボもおおよそ育成される結晶の３倍前後の口径が用いられる。従って、リチャージ管からルツボ壁までの距離は、リチャージ原料を飛ばしたい距離であり、おおよそ結晶直径程度ということになる。つまり、サイズ比は一定であっても、実際の距離はルツボ径が大きくなればなるほど大きくなる。このため、本発明が好適である。
【００３１】
本発明の原料充填方法は、上記した単結晶製造装置２０を用いて、石英ルツボ６内に原料１４を充填する工程と、石英ルツボ６内で原料１４を溶融して融液５とする工程と、該融液５から単結晶４を引き上げる工程とを繰り返し、同一の石英ルツボ６を用いて複数の単結晶４を製造するマルチプーリングによる単結晶製造に用いることができる。
この場合、１本目の単結晶４の引き上げにおける原料１４を充填する工程、及び／又は、２本目以降のそれぞれの単結晶４の引き上げにおける原料１４を充填する工程において、本発明の原料充填方法により原料１４を充填する。
【００３２】
最初の単結晶の引き上げにおける原料の追いチャージにおいて、本発明の方法により充填することが可能であり、または、２本目以降の単結晶の引き上げにおけるリチャージにおいて本発明により原料充填することもできる。
【００３３】
以上のような本発明であれば、チョクラルスキー法（ＭＣＺ法を含む）における単結晶の製造の際、原料充填時間や原料溶融時間を短縮することができ、生産性を効果的に向上させることができる。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実験）
図４に示したように円錐角度θを１００度、７０度、５０度と振った３水準の円錐バルブを準備した。これをリチャージ管の下端にセットし、図２に示したように、リチャージ管の中に原料を詰めた。
【００３５】
次に、室温にて、石英ルツボに板を敷いてシリコン融液の代わりに見立てて、その板の上にリチャージ管内の原料を、図３に示すように投入した。この実験を、図４に示す円錐角度の異なる３水準の円錐バルブを用いて行った。
その結果、図５（ａ）に示すように、投下された原料はドーナッツ状の山を形成した。その高さを測定したものが図５（ｂ）である。図５（ｂ）のグラフの数字は、石英ルツボの中心から内壁までの距離を１として比率で表記した。図５（ｂ）からわかるように、円錐角度θが大きくなるほど山の頂点はルツボ外側に移動し、山の高さは低くなる傾向が見られる。
【００３６】
以上より、円錐バルブの円錐角度を振ることにより、原料が落下する位置を制御できることがわかった。従来は１種類の角度のみで複数回の原料充填を行ってきた。しかし、ドーナッツ状の山の高さが同じ位置で高くなり、投入した原料がある程度溶けるのを待ってから次の投入を行うなど、作業上の煩雑さがあったり、溶融に時間がかかったりしていた。しかし、円錐角度を変えることにより、原料の落下位置が変わるため、例えば投入毎に円錐角度を変えた円錐バルブを用いれば、山の高さをなだらかにかつ低く抑えられることができることがわかった。この投入実験は室温で実施したが、リチャージ等の原料充填は実際には高温下で行われる作業であり、先に充填した原料は後から原料を追加充填する際には溶け始めている。このため、実際の装置の高温条件の下で、以下の実施例１−３、比較例を行った。
【００３７】
（実施例１）
図１に示した単結晶製造装置を用いて、メインチャンバー内に直径２６インチ（６６０ｍｍ）の石英ルツボを装備して、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）を用いて直径８インチ（２００ｍｍ）のシリコン単結晶を育成した。
【００３８】
この装置においてシリコン単結晶を育成した後、石英ルツボ内に１２０ｋｇの原料を追加充填し、それを溶融した。このとき、原料は各投入量を同じ４０ｋｇとして三回に分けて連続投入した。三回の投入の際、それぞれの円錐バルブの円錐角θを、１投目５０度、２投目７０度、３投目１００度とした。
メインチャンバー内は減圧状態なので、リチャージ管を引き上げチャンバー内に常圧下で装着した後、真空ポンプにて引き上げチャンバー内をメインチャンバーと同じ圧力まで減圧し、ゲートバルブを開いた。その後リチャージ管を融液面近くまで降ろして、円錐バルブで開口部を開けることで原料投下を行った。その後、空になったリチャージ管を再度引き上げチャンバー内に引き上げ、ゲートバルブを閉じ、常圧に戻した。この操作を繰り返して、３回の原料投入を行った。
【００３９】
その結果、原料を投入する際に山が高くなりすぎて投入することができない、という状態が発生せず、よどみなく作業を進めることができた。結果的に溶融にかかった時間は、後に示す比較例に比べて１５％短縮できた。
【００４０】
（実施例２）
円錐バルブの円錐角を、１投目１００度、２投目５０度、３投目１００度としたこと以外には、実施例１と同様に、合計１２０ｋｇの原料投入及び溶融を行った。
その結果、実施例１と同様に、原料を投入する際に山が高くなりすぎて投入することができない、という状態が発生せず、よどみなく作業を進めることができた。結果的に溶融にかかった時間は、後に示す比較例に比べて約１４％短縮できた。
【００４１】
（実施例３）
円錐バルブの円錐角を、１投目１００度、２投目７０度、３投目５０度としたこと以外には、実施例１と同様に、合計１２０ｋｇの原料投入及び溶融を行った。
その結果、１投目、２投目まではよどみなく投入可能であったが、３投目を投入する際に少し山の高さが高すぎたため、原料が溶けるのを少し待ってから３投目を投入した。結果的に溶融にかかった時間は、後に示す比較例に比べて約８％短縮できた。
【００４２】
（比較例）
円錐角が７０度の円錐バルブを３投ともに用いたこと以外には、実施例１と同様に、合計１２０ｋｇの原料投入及び溶融を行った。
その結果、１投目、２投目まではよどみなく投入可能であったが、３投目を投入する際にはドーナツ状の山の高さが高すぎたため、ゲートバルブを開けずに投入タイミングを待った。原料が溶け始めて山が低くなったところで、ゲートバルブを開けてリチャージ管を降ろし、３投目の原料投入を行った。結果的に先に述べた実施例１−３よりも溶融時間が長くなってしまった。
【００４３】
上記実施例１−３では、円錐角を徐々に大きくしたり、逆に徐々に小さくしたり、大小を交互に用いたり、また、連続で３回投入し、各回の投入量が同じ例を示した。しかし、本発明はこのような実施形態に限定されず、連続で４回以上又は２回の投入にも適用でき、また、各回の投入量が異なる場合でも適用でき、原料の投入された状況を見ながら、本発明により適切な変更角度を選ぶことが可能である。
【００４４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４５】
１…メインチャンバー、  ２…引き上げチャンバー、  ３…ゲートバルブ、
４…単結晶、  ５…融液、  ６…石英ルツボ、  ７…黒鉛ルツボ、
８…ヒーター、  ９…断熱部材、  １０…ガス流出口、  １１…ガス導入口、
１２…ガス整流筒、  １３…遮熱部材、  １４…原料、  １５…円筒部材、
１６…円錐バルブ、  １７…リチャージ管、  １８…ワイヤー、
２０…単結晶製造装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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